鹽溶液浸潤下團粒膨潤土的膨脹與滲透性能研究

(三峽大學 特殊土土力學研究所,湖北 宜昌 443002)

隨著人類社會的發(fā)展,會產生大量的生活垃圾.垃圾處理的主要方式分為焚燒和掩埋[1].焚燒會產生大量有害氣體從而污染大氣,故很多采用掩埋方式處置.掩埋方式可能存在垃圾滲濾液污染地下水的風險.為此,垃圾填埋場要具有防滲隔離的功能,能夠預防垃圾滲液泄漏或遷移到周邊地下水系.通常圍繞垃圾填埋場周邊需要修筑隔離墻,因膨潤土具有良好的膨脹和吸附特性,從而成為修筑隔離墻的首選材料.沿海地區(qū)的垃圾填埋場不像丘陵和平原地區(qū),通常會選擇修建在濱?；驗┩康貛?如上海老港垃圾填埋場[2].因此,其隔離墻不僅受到垃圾填埋場滲濾液侵蝕,還會受到海水的長期作用,如圖1所示.

圖1 海水與垃圾滲濾液的雙向作用模型

與一般垃圾填埋場相比,在海邊灘涂地帶的垃圾填埋場中的防滲系統(tǒng)會受到滲濾液的腐蝕以及外圍海水的侵蝕.特別是Na+、Ca2+等海水離子會改變膨潤土防滲屏障的性質,從而改變污染物在膨潤土中的運移機制,內部外部同時作用對沿海垃圾填埋場的豎向隔離墻的影響將會更大[3-5].海水離子中含有較多Na+、Ca2+、Mg2+,用鹽溶液來模擬海水離子的影響,研究膨潤土作為海邊垃圾填埋防滲材料的膨脹與滲透性能,從而對垃圾填埋場的功能及穩(wěn)定可以進行準確地預測和評價.因此研究鹽溶液對膨潤土膨脹滲透性能的影響尤為必要.

許多學者研究發(fā)現(xiàn),鹽溶液對于膨潤土的膨脹與滲透性能有一定影響.高子瑞等[6]發(fā)現(xiàn)NaCl溶液對膨潤土的膨脹性有影響,隨著NaCl溶液濃度的升高,膨潤土的膨脹性顯著降低.且在不同濃度NaCl溶液浸潤下,膨脹率的變化趨勢基本都是先變大后減小最后趨于穩(wěn)定.郭招群等[7]還就不同種類的鹽溶液對高廟子膨潤土的膨脹性能影響做了相關研究.將高廟子膨潤土分別浸潤在濃度均為0.5mol/L 的NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2溶液中開展自由膨脹率和膨脹力試驗.不同(陽離子種類)鹽溶液對膨脹土的膨脹力以及膨脹率都有著顯著削弱影響.于海浩等[8]在研究NaCl溶液飽和不同初始含水率膨潤土的膨脹滲透性能時發(fā)現(xiàn),當初始含水率大于10%時,隨著NaCl溶液濃度的增加,膨潤土的膨脹率明顯降低.Castellanos等[9]研究發(fā)現(xiàn)膨潤土膨脹力受鹽溶液濃度的影響,隨著鹽溶液濃度增加膨脹力減少.Lee等[10]通過對鈣基膨潤土在不同鹽濃度下膨脹性的研究發(fā)現(xiàn),鹽濃度越高,膨脹性越低.

為滿足低滲透、強吸附的要求,達到膨潤土提升防滲隔離的目的,以團粒膨潤土、普通膨潤土兩種土為研究對象,以鹽溶液(2.0mol/L的CaCl2溶液)、去離子水兩種溶液為浸潤溶液,開展膨脹滲透試驗,對其膨脹尤其是滲透性能進行評價.根據既有研究,鹽溶液對膨潤土膨脹滲透性能有顯著影響,那么,對于人為造粒提高密實度的團粒膨潤土是否具有同樣效應? 膨脹滲透性能又是怎樣的? 本文選用人為造粒的團粒膨潤土為研究對象,選取CaCl2溶液為鹽溶液對其浸潤開展膨脹力與滲透試驗,這對于我國垃圾填埋場的安全運行,尤其是對海邊垃圾填埋場的設計具有重要意義.

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用膨潤土屬于鈉基膨潤土,從河南省鞏義市龍鑫凈水材料有限公司購置,呈白色粉末狀.根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)的相關試驗方法,測得膨潤土的密度、液塑限以及自由膨脹率等系數(shù),見表1.

表1 膨潤土基本性質

通過對該膨潤土進行濕化膨脹、干燥板結、破碎成團、篩分成組等工序形成級配不同的團粒膨潤土.具體不同粒組為:1)粒徑小于0.075mm 的團粒質量占100%;2)粒徑小于0.075mm 的團粒質量占0%.選取普通膨潤土(沒有經過濕化膨脹干燥板結等過程,顆粒級配為粒徑小于0.075mm 的團粒質量占100%)與第一粒組團粒膨潤土為研究對象,配置最優(yōu)含水率為20%,再選取無水氯化鈣固體配置濃度為2mol/L的CaCl2溶液,利用實驗室超純水機制備去離子水.

1.2 試樣制備

選取普通膨潤土與團粒膨潤土土樣壓制成最佳干密度為1.70g/cm3的環(huán)刀樣(環(huán)刀直徑(d)為50.0mm,高(h)為10.0mm).根據含水率以及干密度計算稱取相應質量土樣,借助千斤頂壓制成環(huán)刀樣,稱取壓制后的質量,核算實際壓制干密度為1.69 g/cm3.

1.3 試驗方法

1.3.1 膨脹滲透試驗

采用自主研發(fā)的膨脹滲透裝置來進行普通膨潤土與團粒膨潤土的膨脹滲透試驗.如圖2所示.為了減少溫度對試驗的影響,試驗在恒溫20℃的條件下進行.

圖2 膨脹滲透裝置

1)去離子水浸潤

將壓制的環(huán)刀試樣裝入膨脹滲透裝置中,利用GDS提供壓力促使水從下方口浸入浸潤試樣.設置壓力為10kPa排除儀器裝置中的氣泡,以減少試驗誤差.氣泡排除之后,設置壓力值100kPa,試樣在去離子水的浸潤下開始膨脹,通過上方傳感器傳達到數(shù)據采集區(qū).當試樣穩(wěn)定不再膨脹則采集區(qū)數(shù)據也隨之穩(wěn)定,則可收集采集區(qū)數(shù)據進行膨脹力分析.隨之可開展?jié)B透試驗,增加溶液收集裝置針筒.按照上述步驟先排氣泡,之后設置壓力值為500kPa.密切觀察針筒收集裝置的情況,當有水滲出則開始記錄出水量,按照相同時間(12h)間隔記錄.

根據達西定律計算滲透系數(shù):

式中:k為滲透系數(shù);Q為排水體積,實驗用水為純水,1.0g 水的體積為1.0cm3;L為試樣高度,1.0 cm;A為試樣截面面積,3.14cm×2.52cm;H為水位差,100m 水位差的壓力為1.0MPa;t為時間(s).

2)鹽溶液浸潤

與去離子水浸潤膨脹滲透試驗步驟、實驗原理基本一致,只是試驗裝置略有改變.涉及到鹽溶液,為避免鹽溶液腐蝕試驗裝置,因此需要在固結儀與GDS之間添加鹽水分離器.

1.3.2 壓汞試驗

壓汞分析土樣孔隙體積以及密度分布是一種常用方法,本試驗采用的儀器是康塔公司設計的PoreMaster-33型壓汞儀,如圖3所示.該儀器包含高壓和低壓兩套系統(tǒng),可測土樣直徑范圍為0.0070～1000μm.

圖3 壓汞分析儀

壓汞試驗試樣制備需要保持試樣干燥,可采用液氮凍干法.將團粒膨潤土吸水膨脹后和浸潤鹽溶液膨脹后的膏體分別放入多孔盛樣盒中,并進行編號;用敞口容器盛放盛樣盒,加入液氮,完全浸沒盛樣盒,并開始抽真空操作;當容器開始出現(xiàn)結冰狀態(tài),停止抽取真空;將凍干后的試樣放入真空干燥機中24h,即完成試樣干燥工作;借助壓汞分析儀經過稱量取樣、試樣裝樣、低壓測試、高壓測試以及廢液處理等步驟即可完成壓汞試驗.

2 結果與討論

2.1 膨脹力試驗

普通膨潤土與造粒團粒膨潤土(實測干密度為1.69g/cm3,含水率20%)在去離子水以及鹽溶液浸潤的條件下膨脹力隨時間變化曲線如圖4～5所示.

圖4 團粒膨潤土膨脹力-時間變化曲線

圖5 普通膨潤土膨脹力-時間變化曲線

由圖4～5可知,兩種膨潤土在兩種浸潤條件下膨脹力隨時間的變化都是先急劇增加后趨于穩(wěn)定,變化趨勢基本吻合.從圖4～5可知去離子水浸潤條件下團粒膨潤土的膨脹力最終穩(wěn)定在6.77MPa,而鹽溶液浸潤條件下膨脹力最終穩(wěn)定值為4.57MPa.去離子水浸潤條件下普通膨潤土的膨脹力最終穩(wěn)定值為6.94MPa,而鹽溶液浸潤條件下膨脹力最終穩(wěn)定值為4.86MPa.團粒膨潤土和普通膨潤土在鹽溶液浸潤條件下的膨脹力均明顯降低,與去離子水浸潤條件下的膨脹力相比,降幅達到30%.同種溶液浸潤條件下,普通膨潤土膨脹力最終穩(wěn)定值均略高于團粒膨潤土.

如圖6所示,膨潤土主要有體間孔隙、體內孔隙和層間孔隙三部分,膨潤土遇水之后發(fā)生水化反應.團聚體發(fā)生膨脹即第一階段膨脹,到第二階段雙電層形成,到第三階段雙電層開始膨脹,層疊體甚至變成單個單元[11].

由于團粒膨潤土表面帶有負電荷,當浸潤在去離子水或者鹽溶液中后,水分子會擴散到團粒膨潤土晶層之間,導致團粒膨潤土迅速膨脹[12].隨著水分子不斷滲入,團粒膨潤土晶層之間水分子逐漸達到飽和,因此后續(xù)膨脹逐漸趨于穩(wěn)定.根據項國圣等[13]研究發(fā)現(xiàn),鹽溶液對膨潤土微觀結構存在一定影響.通過不同濃度NaCl溶液浸泡,利用氮吸附法測試試樣孔隙體積、比表面積.發(fā)現(xiàn)膨潤土帶負性電荷,NaCl溶液中的Na+被吸收從而堵塞了膨潤土的孔隙,使得膨潤土孔隙體積下降,因此影響膨潤土的膨脹性能.在本試驗中選取濃度為2.0mol/L的CaCl2溶液,為高濃度鹽溶液.團粒膨潤土表面同樣具備負電荷可以吸附鹽溶液中的Ca2+,水分子也可以迅速進入團粒膨潤土晶層之間,從而影響膨脹性能.且本團粒膨潤土原料為鈉基膨潤土,原本的Na+會與溶液中的Ca2+發(fā)生置換反應,鈉基膨潤土團粒轉化為鈣基膨潤土團粒,其膨脹性能顯著降低.

圖6 膨潤土膨脹機理概念圖(修改自Suzuki等[14-16])

2.2 滲透試驗

圖7～8為普通膨潤土與團粒膨潤土在去離子水以及鹽溶液浸潤條件下的滲水量隨時間變化曲線圖.很明顯,兩種浸潤條件下,滲水量與時間都成線性關系.

從圖9可知,團粒膨潤土在去離子水浸潤條件下的滲透系數(shù)為8.22×10-14m/s,而鹽溶液浸潤條件下滲透系數(shù)為1.40×10-13m/s.普通膨潤土在去離子水浸潤下的滲透系數(shù)為9.76×10-14m/s,而鹽溶液浸潤條件下滲透系數(shù)為1.54×10-13m/s.對于同一種膨潤土的兩種浸潤條件下滲透系數(shù)相差一個數(shù)量級,對于相同溶液浸潤條件下團粒膨潤土的滲透系數(shù)都小于普通膨潤土的滲透系數(shù).

圖7 團粒膨潤土滲透系數(shù)-時間變化曲線

圖8 普通膨潤土滲透系數(shù)-時間變化曲線

圖9 滲透系數(shù)最終穩(wěn)定值

與普通膨潤土相比,團粒膨潤土在去離子水以及鹽溶液兩種浸潤條件下的滲透系數(shù)都相對較小,能滿足作為垃圾填埋場隔離墻防滲材料的基本要求.兩種膨潤土在鹽溶液與去離子水浸潤條件下滲透系數(shù)的較大差別可能是因為2.0mol/L 的CaCl2溶液濃度較大,且可移動電荷較多,頻繁發(fā)生離子交換使孔隙增大、滲流通道增加從而導致滲透系數(shù)變大[17-18].根據Rolfe等[19]相關研究發(fā)現(xiàn)膨潤土的滲透系數(shù)與可移動電荷、濃度、電荷等都有關.許四法等[20]也曾研究發(fā)現(xiàn)溶液特性對土樣的滲透系數(shù)有較大影響,尤其是在本試驗中選取了高濃度的CaCl2溶液發(fā)生離子交換反應后,團粒膨潤土表面聚集更多陽離子從而負電勢逐漸減弱,土粒的雙電層厚度就會逐漸變小,土粒之間的斥力隨之逐漸變小,則膨潤土蒙脫石之間的晶層間距就會增大,從而導致滲透系數(shù)也會增大.

2.3 壓汞試驗

圖10～11分別為團粒膨潤土與普通膨潤土在去離子水以及鹽溶液浸潤條件下膨脹試樣的累計孔隙體積曲線.從圖中可知去離子水浸潤條件下,土樣累計孔隙體積曲線位于鹽溶液浸潤條件下的累計孔隙體積曲線之上.團粒膨潤土與普通膨潤土在不同浸潤膨脹狀態(tài)下孔隙累計體積分別相差0.011cm3/g、0.012cm3/g.

圖10 團粒膨潤土累計孔隙體積曲線

圖11 普通膨潤土累計孔隙體積曲線

圖12～13分別為團粒膨潤土與普通膨潤土在去離子水以及鹽溶液浸潤條件下膨脹試樣的孔隙分布密度曲線.從圖中可知團粒膨潤土在去離子水浸潤條件下膨脹后孔隙主要分布在0.008μm 孔徑范圍內,團粒膨潤土在鹽溶液浸潤條件下膨脹后孔隙主要分布在0.02μm 孔徑范圍內.普通膨潤土在去離子水浸潤條件下膨脹后孔隙主要分布在0.013μm 孔徑范圍內,普通膨潤土在鹽溶液浸潤條件下膨脹后孔隙主要分布在0.031μm 孔徑范圍內.

圖12 團粒膨潤土孔隙分布密度曲線

圖13 普通膨潤土孔隙分布密度曲線

團粒膨潤土在鹽溶液浸潤條件下相比去離子水浸潤條件下累計孔隙體積減小,從去離子水浸潤條件下的0.1131cm3/g到鹽溶液浸潤條件下的0.1021 cm3/g.孔隙分布密度曲線右移,孔隙分布密度從去離子水浸潤條件下的0.008μm 到鹽溶液浸潤條件下的0.02μm.普通膨潤土也有相同的變化趨勢.堿溶液浸潤會造成膨潤土中蒙脫石溶解,膨潤土的結構會造成破壞,從而使膨潤土大孔隙增加.膨潤土的膨脹力下降,滲透系數(shù)增加[21].鹽溶液浸潤條件下膨脹力下降,則土樣中填充就相應減少.大孔隙體積增加,小孔隙體積減少[22].藺建國等[23]通過研究孔隙溶液對膨脹土微觀結構的影響發(fā)現(xiàn),隨著氯化鈉溶液濃度的增加,試樣發(fā)生聚集化,小孔隙、微孔隙減少.本試驗中相比去離子水浸潤,2mol/L 的CaCl2溶液為高濃度溶液,Ca2+會被吸附從而阻塞孔隙,從而導致土樣微小孔隙減少.壓汞試驗中進汞量與土樣微小孔隙體積有關,因此鹽溶液浸潤條件下累計孔隙體積減少.微小孔隙下降,膨脹性能也隨之下降,膨脹較少使填充減少.鹽溶液破壞了膨潤土的結構,使大孔隙增加,導致鹽溶液浸潤條件下孔隙密度分布曲線右移,膨潤土滲透系數(shù)隨之增大.分析壓汞試驗結果進一步驗證了鹽溶液對團粒膨潤土的膨脹和滲透性能都有較大影響.

3 結論

本文研究了鹽溶液對團粒膨潤土膨脹滲透性能的影響,其主要的研究結論如下:

1)團粒膨潤土與普通膨潤土在鹽溶液(2.0mol/L濃度的CaCl2溶液)和去離子水浸潤條件下,膨脹力的變化趨勢都是隨時間的變化呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定.

2)團粒膨潤土和普通膨潤土在鹽溶液浸潤條件下的膨脹力均明顯降低,與去離子水浸潤條件下的膨脹力相比,降幅達到30%.

3)團粒膨潤土與普通膨潤土在鹽溶液浸潤條件下的滲透系數(shù)均顯著增大,與去離子水浸潤條件下的滲透系數(shù)相比,數(shù)量級從10-14增大到10-13,兩種浸潤條件下都可以滿足防滲要求.

4)相同溶液浸潤條件下,團粒膨潤土的膨脹力略小于普通膨潤土的膨脹力,但團粒膨潤土的滲透系數(shù)小于普通膨潤土的滲透系數(shù),防滲性能更好.